融合特征模理论的圆极化超表面天线设计

作     者：逄慧 

作者单位：曲阜师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵建平;徐娟

授予年度：2024年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：超表面 特征模理论 圆极化 宽带 小型化 

摘      要：随着无线通信技术的发展,对天线性能的要求也越来越高。传统的天线设计面临着巨大的挑战。超表面因其一系列特殊的电磁特性,为解决传统天线的设计问题,提出了新的思路。为了得到超表面的物理意义,掌握天线的工作机理,采用特征模理论在不添加激励的情况下对天线结构本身具有的谐振特性和辐射特性进行研究。引入特征模理论对超表面天线进行分析,大大减少天线设计过程的盲目性。本论文使用特征模分析指导圆极化超表面天线的设计,主要内容如下: 1.基于特征模理论分析的宽带圆极化超表面天线设计。首先使用Floquet端口周期模型分析了超表面单元,通过反射特性,初步确定超表面单元的尺寸。进一步使用特征模理论对超表面进行分析,找到两个具有实现圆极化辐射潜能的模式,通过在初始的超表面结构的缝隙上加载枝节可以有效增大两模式的特征角相位差。根据最终得到的超表面结构的特征模式结果可以观察到超表面结构有良好的宽带圆极化性能。通过微带线馈电结构成功激励两个目标模式构成圆极化辐射。对天线进行加工和测试,得到35.4%的-10dB阻抗带宽,17%的3dB轴比带宽,并且工作频段内具有稳定的增益。实测和仿真结果具有良好的一致性,证明设计方法的可行性。 2.基于特征模理论分析的小型化圆极化超表面天线设计。利用特征模理论指导超表面天线的设计过程,通过模式分析、模式优化、馈电结构的设计一系列步骤,清晰的展示了天线小型化的实现过程和天线圆极化的辐射原理。根据特征模分析的结果可知随着超表面结构的改进天线的谐振频率向低频移动,实现了超表面结构的小型化。根据模式电流和远场辐射确定一对目标模式,设计具有90°相位差的馈电结构成功激励起两模式,得到圆极化性能。对该超表面天线进行加工和测试,其-10dB阻抗带宽为20.8%,3dB轴比带宽为14%。天线的仿真和实测结果相吻合。